לוקליזציה פגם תת קרקעי על ידי חימום מובנה באמצעות לייזר מוקרן Photothermal Thermography
15 במאי 2017
שיטה זו שואפת לאתר פגמים אנכיים תת קרקעיים. כאן, אנו זוג לייזר עם אפנן אור מרחבי ולהפעיל קלט הווידאו שלה לחמם משטח מדגם דטרמיניסטית עם שני קווי אנטי אפקט מודולציה בעת רכישת תמונות תרמית נפתרה מאוד. העמדה פגם הוא נלקח מן הערכת גל הפרעה מינימלית גל.
המטרה הכללית של שיטה זו היא להשתמש בחימום מובנה ובדימוי תרמי ברזולוציה גבוהה באופן לא פולשני וללא מגע, כדי לאתר פגמים תת-קרקעיים המכוונים בניצב לפני השטח של דגימת פלדה. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח בתחום הדימוי התרמי. לדוגמה, באיזה גודל ובאיזה עומק צריך להיות פגם כדי שניתן יהיה לזהותו.
היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא היכולת לייצר שדות גלים תרמיים המתפשטים במישור התצפית, מה שהופך את הגישה לרגישה מאוד לפגמים בעלי אוריינטציה ניצבת. מערכת תרמוגרפיה פוטו-תרמית מוקרנת בלייזר זו מורכבת על לוח לחם למעבדה (bench top breadboard). מערכת זו עברה את מרבית שלבי ההכנה הנדרשים לשימוש בניסוי.
בראש נתיב הקרן נמצא מקור הלייזר. סיב לייזר זה נתמך על ידי מתקן לסיב לייזר. לאחר מכן, טלסקופ מקטין את קוטר קרן הלייזר לגודל מתאים להמשך מסלול הקרן.
מאחורי מדגם קרן הלייזר, ראש מד-עוצמה של 500 watt סופג חלק ניכר מאנרגיית הקרן כדי לאפשר ללייזר לפעול בעוצמה מלאה. ממדגם הקרן, הקרן ממשיכה באמצעות מראה אל ערכת פיתוח למקרן. זהו מקרן מסחרי מפורק שמאילו הוסרו מנוע האור והעדשות.
עבור הניסוי, יש להקרין את הקרן במצב קולמט (collimate) כך שתחדור למקרן. לאחר מעבר דרך המקרן, הקרן תפגע בדגימה, שתותקן על במה להזזה (translation stage) המנוהלת על ידי מחשב. להשלמת מערך זה, השג עדשה בעלת אורך מוקד של 100 millimeter עבור המקרן.
חבר את העדשה לעדשת המקרן ממש לפני במת ההזזה. לאחר מכן, השתמש בפנס LED כמקור אור כניסה למקרן. מקם דף נייר לבן לפני העדשה והזז אותו עד להופעת מלבן מואר וחד על הדף, המציין את מיקומו של מישור התמונה.
בשלב זה, השג דגימה לשימוש בניסוי. הצב את הדגימה במסלול הקרן על גבי במת ההזזה הליניארית המצוידת במעלית מעבדה. הרם את הדגימה באמצעות מעלית המעבדה כך שחלקו העליון יהיה בקו אחד עם החלק העליון של המלבן המוקרן.
וודאו כי הפגם נמצא בתוך האזור המואר במישור התמונה. לאחר מכן, הכינו את מערך הצילום באינפרא-אדום על ידי הצבת מראת זהב על מוט. המראה תחזיר את הקרן המפוזרת לעבר המצלמה.
החזיקו את המראה על מחזיק מוטים סמוך למקרן. היא צריכה להחזיר את הקצה העליון של הדגימה ולהיות מוטה כך שניתן יהיה לראות חלק נרחב ככל האפשר מפני השטח של הדגימה. האור המוחזר מהמראה ייכנס למצלמה אינפרה-אדומה המותקנת על חצובה.
מקמו אותו בגובה של עדשת המקרן כך שיראה את התמונה הלבנה המוקרנת באמצעות המראה המוזהבת. הגדירו את המצלמה כך שתהיה נשלטת על ידי מחשב, והמתינו לחימומה. לאחר חיבור המצלמה לתוכנת הבקרה שלה, השגו סרגל פלדה.
החזיקו את הסרגל על פני הדגימה ומקדו את המצלמה עליו באופן ידני. ניגוד הטמפרטורה ביחס לסרגל הפלדה מסייע במיקוד. שאפו להשיג את התמונה החדה ביותר.
אחד השלבים הקריטיים ביותר הוא השגת רזולוציה לטרלית מספקת במשטח הדגימה. דבר זה חשוב מכיוון שקו הדהייה (depletion) חייב להיות מובחן. השתמש בתוכנת הלייזר כדי להגדיר את מתח הלייזר ל-10 volts והפעל את הלייזר.
השתמש בתוכנת המצלמה כדי להגדיר את הקשר בין המקרן למצלמה. בחר ב-Measure מהאפשרויות בחלק העליון. עבור לסרגל הכלים של Measure areas ובחר באפשרות של כלי הצלב (cross tool).
כאשר הלייזר דולק, תופיע תמונה תרמית. השתמשו בכלי כדי לסמן את פינות התמונה על ידי לחיצה שמאלית על המסגרת, ולאחר מכן רשמו את הקואורדינטות. תוכנת הבקרת המצלמה חייבת להיות מוגדרת עבור הניסוי.
התחילו במעבר לפאנל המצלמה (Camera). שם, לחצו על כפתור השליט מרחוק (Remote) כדי לפתוח את פאנל הבקרת השלט. בתפריט הנפתח, בחרו באפשרות Process-IO.
בנוסף, לחצו על אפשרות ה-Sync In ועל אפשרות ה-Gate. לאחר מכן סגרו את התפריט. מתוך לשונית פרמטרי הרכישה (Acquisitions parameters), פתחו את תפריט הרכישה (Acquisition).
בחרו ב-External Sync מהתפריט הנפתח. הזינו את שמות הקבצים והתיקיות בשדה Folder. לאחר מכן, עברו לשדה Count, הזינו את מספר הפריים-ים שחושב קודם לכן וסגרו את תפריט ה-Acquisition.
התחל את רכישת נתוני המצלמה על ידי בחירה ב-Record. בנקודה זו, עבור לתוכנת הבקרה של הניסוי. לחץ על Activate כדי להפעיל את בקר התנועה.
בשלב הבא, ערוך את נקודות ההתחלה והסיום במילימטרים כדי לכלול את הפגם בסריקה. לאחר מכן, הזן את המהירות במילימטרים לשנייה. לחץ על Start Measurement.
לחצו לחיצה שמאלית על השדה Choose Area Color. בחלון בחירת הצבעים, בחרו צבע עבור אזור התבנית. עברו לסרגל הכלים של השרטוט ובחרו בכלי המלבן.
עברו לאזור התמונה והשתמשו בכלי כדי ליצור מלבן התואם לתחום פיקסלי המקרן שנמצא קודם לכן. המשיכו בלחיצה על define Area. תיבת הדיאלוג מאפשרת להגדיר את תכונות התבנית המוקרנת.
בתפריט הבחירה הנפתח של סוג האות (Signal Type), בחרו בגל סינוס (Sine Wave). כדי להגדיר את גל הסינוס, קבעו את שדה הזזת הפאזה (Phase Shift) לאפס מעלות. בנוסף, הגדירו את התדר בהרץ.
כוון את ה-Amplitude למקסימום. לאחר מכן, עבור לשדה ה-Voltage כדי להזין את מתח הלייזר ביחידות של וולט. בשדה Pictures per period, הזן ערך שחושב מראש.
לחצו על Next. בצעו שלבים דומים כדי ליצור מלבן שני בצבע שונה בהסטת מופע של 180 מעלות. צפו ברצף התמונות באמצעות הצגתן בסרגל תצוגה מקדימה.
לאחר מכן, לחצו על Start כדי להתחיל את הניסוי. במת ההזזה מזיזה באיטיות את הדגימה לאורך הטווח הנבחר, כדי לחשוף אזורים שונים לתאורה המבנית המתנודדת המוקרנת. זמן המעבר הכולל עבור ניסוי זה הוא 200 שניות.
בעוד הדגימה נעה, מצלמת האינפרה-אדום התרמי קולטת תמונות תרמיות ב-40 hertz. רצף תמונות תרמיות זה מספק דוגמה לשדות הגלים התרמיים הנוצרים על ידי ההארה. הפסיקו את הניסוי כאשר כל הפריימים נקלטו.
כדי לבצע את עיבוד הפוסט-פרוססינג הנדרש, טענו את מסגרות הנתונים (data frames) בתוכנת עיבוד הפוסט-פרוססינג. לאחר המרת הנתונים, הזינו את קואורדינטות נקודת ההקרנה שנמצאו קודם לכן. לחצו על Transform כדי להעביר את הנתונים למרחב הפיקסלים של המקרן.
כדי לחלץ מידע על הטמפרטורה, הגדירו את קו הדלדול על ידי הזנת הקואורדינטות של שתי נקודות. הזינו את הפרמטרים של המהירות במיקום ההתחלתי של הדגימה במהלך הניסוי. כמו כן, הזינו את קצב הפרמים (FrameRate) של מצלמת האינפרא-אדום ואת התדר (Frequency) של גל הסינוס של התבנית.
לבסוף, וודאו שפרמטרי עיבוד הנתונים לאחר המדידה נכונים. כשאתם מוכנים, לחצו על Evaluate. מיקום הסדק מוצג בשדה המודגש.
נתונים אלו נאספו מדגם בדיקה עם פגם בעומק מקורב של 1/4 מילימטר. הדגם הוזז במהירות של 0.05 מילימטרים לשנייה. העקומה השחורה מייצגת את הטמפרטורה כפונקציה של הזמן, המופיע לאורך הציר האופקי העליון.
ניתן גם לתרגם את הזמן למיקום לאורך הציר התחתון. העקומה האדומה הרציפה היא התאמה לעלייה לא-תנודתית בטמפרטורה. הקו האדום המקוקוK מצביע על מיקומו של הפגם.
כאן מוצגים אותם נתונים לאחר עיבוד נוסף. העקומה הכחולה היא עקומת הילברט (Hilbert curve) והפגם נמצא במינימום שלו. נתונים אלו נאספו לאחר הכפלת מהירות הסריקה ל-0.1 millimeters per second.
בהשוואה למדידה הראשונה, ההתארכות היא זהה אך תדירות התנודה פחותה. שימו לב שהדגימה הועברה למיקום חדש, דבר הבא לידי ביטוי במדידות. כאשר הפרוטוקול מיושם על פגם הנמצא מילימטר אחד מתחת לפני השטח, ניתן עדיין לקבוע את מיקומו, אך ברמת אי-וודאות גבוהה יותר. שני הגרפים הללו משתמשים בנתונים שנאספו במהירות סריקה של 0.1 מילימטרים לשנייה.
לאחר פיתחו, סללה הטכניקה את הדרך עבור חוקרים בתחום הבדיקות הבלתי הרסניות לחקר השימוש בתאורה מובנית. בעקבות פרוצדורה זו, ניתן להשתמש בתבניות תאורה אחרות ומורכבות יותר כדי לאתר סוגים אחרים של פגמים. עד כה נבדל רק פלדה, אך השיטה מבטיחה מאוד, במיוחד עבור פלסטיק, חומרים מרוכבים וחומרים רגישים מאוד אחרים, וזאת בשל המאמץ התרמי הנמוך המופעל.
צוואר הבקבוק של מערך הניסוי הנוכחי הוא מגבלת המאמץ התרמי של המודולטור של אור מרחבי (spatial light modulator). מסיבה זו עלינו להקפיד על זמן המדידה, שאינו יעלה על שתי עד שלוש דקות. עד כה נוצרו שני מקורות חום אינטגרליים בלבד.
אך באופן עקרוני, באמצעות מערך זה ניתן להפיק ולשלוט בעד מיליון מקורות חום, דבר הפותח תחום נוסף של עיצוב גלים נורמליים שרירותיים. לאחר צפייה בסרטון זה, אתם אמורים להחזיק בהבנה טובה של האופן שבו ניתן לאתר פגמים תת-שטחיים באמצעות תרמוגרפיה פוטו-תרמית מבוססת קרן לייזר. אל תשכחו כי עבודה עם לייזר תת-אדום בעל הספק גבוה מסוג class four עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש לנקוט תמיד באמצעי זהירות, כגון הרכבת משקפי מגן ללייזר.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
שיטה זו עושה שימוש בחימום מובנה ובדימוי תרמי ברזולוציה גבוהה כדי לאתר באופן לא הרסני פגמים תת-שטחיים בדגימות פלדה. באמצעות שימוש בלייזר ובמודולטור אור מרחבי, הטכניקה משפרת את הרגישות לפגמים המכוונים בניצב לפני השטח של הדגימה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- דימות תרמי
- בדיקות לא הורסות
- מדע החומרים
רקע
- פגמים תת-superficial יכולים להשפיע באופן משמעותי על שלמות החומר.
- שיטות מסורתיות עשויות שלא לזהות פגמים קטנים או עמוקים ביעילות.
- שדות גלי תרמיים יכולים להגביר את רגישות הגילוי.
- שיטה זו שואפת להתגבר על מגבלות בטכניקות דימות תרמי נוכחיות.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה ללא מגע לגילוי פגמים תת-קרקעיים.
- הערכת מגבלות הגודל והעומק של פגמים שניתן לגלות.
- שיפור הרגישות של דימוי תרמי לזיהוי פגמים.
שיטות שנutilized
- חימום מובנה באמצעות לייזר ומודולטור אור מרחבי.
- רכישת תמונות תרמיות במהלך החימום.
- ניתוח מינימומים של התאבכות גלים תרמיים לצורך איתור פגמים.
- מערך שולחן למסירה ניסיונית.
תוצאות עיקריות
- השיטה מאתרת בהצלחה פגמים תת-superficial בעלי אוריינטציה ניצבת.
- הושגה רגישות גבוהה עבור פגמים קטנים ועמוקים.
- הדמיות תרמיות מספקות תובנות מפורטות על מאפייני הפגמים.
- המערכת מוכנה לשימוש ניסויי לאחר ביצוע שלבי ההכנה.
מסקנות
- טכניקה זו מהווה התקדמות משמעותית בדימות תרמי.
- היא מציעה גישה מהימנה לזיהוי פגמים ללא הרס.
- יישומים עתידיים עשויים לשפר את בטיחות החומרים ואת ביצועיהם.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית ניהולית
שיטה זו מאפשרת גילוי לא-הרסני ברזולוציה גבוהה של פגמים תת-superficial בחומרים, ובכך היא תומכת באפיון חומרים בשלב מוקדם במחקר ופיתוח בתחומי הרוקחות והביוטכנולוגיה. באמצעות זיהוי פגמים מבניים ללא פגיעה בדגימה, היא מסייעת בהערכת שלמות החומר לייצור מכשירים, אריזה או פיתוח שתלים. הטכניקה מגבירה את הביטחון החזוי בבחירת החומרים על ידי אספקת לוקליזציה כמותית ומרחבית של הפגמים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח ביו-פרמצבטיקה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של השלמות המבנית של החומר כדי לתמוך בבדיקת השערות בבחירת חומרים למכשירים או להשתבעותים.
- ערך תפעולי: מספק הערכה ללא מגע וללא סימון של פגמים תת-superficial, ובכך מפחית את הצורך בחיתוך הרסני.
סריקה ופיתוח מערכי בדיקה
- ערך מדעי: מייצר נתונים כמותיים של תנודות תרמיות שניתן להשתמש בהם כדי לתקנן את ספי תגיית הפגמים בין מנות חומרים שונות.
- ערך תפעולי: תומך בפרוטוקולי סריקה הניתנים לשחזור עם סנכרון בין הבמה לדימוי התרמי לצורך סריקת חומרים עקבית.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מאפשר רציפות משלב גילוי החומרים ועד לתיקוף פרה-קליני על ידי זיהוי פגמים שעלולים לפגוע בתפקוד המכשיר או בבטיחותו.
- ערך תפעולי: מאפשר קבלת החלטות על קידום הפיתוח מתוך התחשבויות בסיכונים, על ידי זיהוי anomlies תת-שטחיים לפני ביצוע בדיקות יקרות בשלבים מאוחרים יותר.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי על ידי תמיכה בהערכת חומרים, החל מסריקה ראשונית ועד לאישור פרה-קליני, ובמיוחד עבור מכשירים להשתלה או מערכות להובלת תרופות שבהן שלמות החומר היא קריטית.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בבדיקת היפותזות לגבי התאמת החומר על ידי חשיפת פגמים תת-קרקעיים העלולים להשפיע על הביצועים הביולוגיים.
- סריקה: מאפשרת הערכה סטנדרטית ו可שחזרת של מנות חומרים באמצעות יצירה והדמיה מבוקרת של שדה גלים תרמיים.
- אנליטיקה: מספקת קריאות של תנודות תרמיות מרחביות-זמניות המאפשרות כימות של עומק הפגם וכיוונו לצורך ניתוח השוואתי.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין סריקה מוקדמת של חומרים לשימוש פרה-קליני על ידי זיהוי פגמים שעלולים להוביל לכשל של המכשיר בסביבות ביולוגיות.
- שימוש חוזר ארגוני: מייצגת גישה ניתנת להרחבה ובעלת יכולת פלטפורמה להסמכת חומרים לאורך תוכניות מחקר ופיתוח מרובות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי בבחירת חומרים על ידי הפחתת העמימות בהערכת מבנה תת-פני.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות ואת התפוקה באמצעות סנכרון של הקרנת לייזר, סריקת במה והדמיה תרמית.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת ההחלטות מסוג go/no-go בהסמכת חומרים, ומפחית את הסיכון לכשל בשלבים מאוחרים של פיתוח מכשירים או שתלים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף חומרים מבוסס סיכון בהסתמכות על זיהוי ואיתור פגמים כמותיים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בבטיחות לייזר, דימוי תרמי ומערכות רכישת נתונים מסונכרנות.
- תלוי במכשור מיוחד, כולל לייזרי דיודה בעוצמה גבוהה, מודולטורים של אור מרחבי ומצלמות תת-אדום מהירות.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית כדי להבטיח יישום עקבי בין קבוצות של מדע החומרים, הנדסה וביולוגיה.
- כולל שיקולי התאמה עבור תכונות תרמיות וגיאומטריות משתנות של מערכות חומרים שונות.
- מוגבל על ידי ספי תהליכי מאמץ תרמי של רכיבים אופטיים, מה שמגביל את משך המדידה המקסימלי לשתיים עד שלוש דקות לדגימה.
שאלות נפוצות בתחום הביו-פרמה
Chapters in this video
0:05
Title
10:03
Conclusion
8:41
Results: Defects Identified in a Steel Test Sample
0:45
The Laser Projected Photothermal Thermography (LPPT) Setup
4:33
Set Up the Camera Control and Perform the Experiment
7:43
Post-process the Data and Extract Temperature Information
